BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Văn Hưng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG NHẤT DỰA THEO TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Văn Hưng

ĐỊNH VỊ SỰ CỐ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN
KHÔNG ĐỒNG NHẤT DỰA THEO TÍN HIỆU
ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Hệ thống điện.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Nguyễn Xuân Tùng

2.1.3

Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của định vị sự cố theo phƣơng pháp chỉ
dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía ....................................................................16

2.1.4 Tổng kết các ƣu, nhƣợc điểm của phƣơng pháp định vị sự cố dựa theo tín hiệu
đo lƣờng từ một phía ................................................................................................22
2.2

Nguyên lý định vị sự cố dựa theo tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng
dây ............................................................................................................................23

2.2.1

Nguyên lý làm việc ..................................................................................................23

2.2.2 Vấn đề cần giải quyết đối với thuật toán này...........................................................25
2.3

Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận văn .................................................... 26

CHƢƠNG 3 ĐỊNH VỊ SỰ CỐ ĐƢỜNG DÂY TẢI ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG NHẤT
DỰA THEO TÍN HIỆU ĐO LƢỜNG ĐỒNG BỘ HAI ĐẦU ................................27
3.1
Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 27
i


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất


CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƢỚNG NGHIÊN CỨU TRONG
TƢƠNG LAI............................................................................................................62
5.1
Kết luận .................................................................................................................... 62
5.2
Phƣơng hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai .............................................................. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................64
PHỤ LỤC ............................................................................................................................65
Lập trình Matlab .................................................................................................................. 65

ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao
chép của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham
khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí,
bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Tác giả

Nguyễn Văn Hưng

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất


DC

(Direct Curent) Dòng điện một chiều

TTK

Thứ tự không

TTT

Thứ tự thuận

TTN

Thứ tự nghịch

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 Sơ đồ nguyên lý của đƣờng dây bị sự cố với hai nguồn cấp
Hình 2 Sơ đồ thay thế của đƣờng dây sự cố
Hình 3 Sơ đồ minh họa phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền xác định vị trí sự cố
Hình 4 Sự lan truyền và phản xạ của sóng dòng điện trên đƣờng dây
Hình 5 Minh họa nguyên lý của bảo vệ khoảng cách
Hình 6 Đặc tính tác động MhO và điểm làm việc của rơle trong các chế độ
Hình 7 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - pha
Hình 8 Sơ đồ thay thế vòng lặp tính toán tổng trở sự cố pha - đất

4
5
7
8
12
13
15
15
17
19
20
21
21
21
24
24
27
28
28
29
30
31
32
32
33
34
35
37
40
41

48
50
51
53
54
56
57
59


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1 Bảng tổng hợp thống kê sự cố ................................................................................... 9
Bảng 2 Tổng kết về loại sự cố và các mạch vòng đo lƣờng tƣơng ứng ............................... 14
Bảng 3 Thông số các phần tử sử dụng trong mô phỏng ...................................................... 43
Bảng 4 Kết quả tính toán với các kịch bản mô phỏng khác nhau ........................................ 60

vii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

MỞ ĐẦU
Lƣới điện truyền tải điện ngày càng đƣợc đầu tƣ và phát triển nhằm đáp ứng
nhu cầu điện phục vụ phát triển kinh tế xã hội của đất nƣớc. Trong quá trình vận
hành, các sự cố trên đƣờng dây có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào, tại bất cứ
vị trí nào và do nhiều lý do gây nên. Các sự cố đòi hỏi phải đƣợc cô lập càng
nhanh càng tốt để đảm bảo sự ổn định của hệ thống và hạn chế các tác hại của
dòng ngắn mạch… Ở Việt Nam hiện nay, xác định chính xác tọa độ, vị trí điểm

và cáp ngầm, hoặc đƣờng dây có nhiều chủng loại dây ghép hỗn hợp.
Kết quả nghiên cứu đƣợc mô phỏng áp dụng đối với mô hình tuyến đƣờng
dây 220kV Nho Quan – Thanh Hóa, đây là tuyến đƣờng dây trên không sử dụng
các loại dây dẫn khác nhau. Các tính toán cùng với kết quả mô phỏng đã chứng
minh các ƣu điểm của thuật toán này.
Về mặt cấu trúc luận văn đƣợc chia ra thành 5 chƣơng
 Chƣơng 1: Giới thiệu chung về vai trò quan trọng của việc cần nâng cao
độ chính xác trong định vị sự cố, đặc biệt đối với lƣới điện truyền tải. Mô
tả sơ lƣợc về ƣu, nhƣợc điểm của các phƣơng pháp định vị sự cố trên
đƣờng dây truyền tải.
 Chƣơng 2: Giới thiệu nguyên lý định vị điểm sự dựa theo tín hiệu dòng
điện và điện áp đo lƣờng đƣợc tại một phía (nguyên lý đƣợc áp dụng
trong các rơle bảo vệ khoảng cách). Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính
xác của phƣơng pháp này.
Đồng thời chƣơng này cũng giới thiệu nguyên lý định vị sự cố dựa theo
tín hiệu đo lƣờng đồng bộ từ hai đầu đƣờng dây. Các ƣu, nhƣợc điểm của
phƣơng pháp này và sự cần thiết phải có phƣơng pháp định vị sự cố khi
đƣờng dây không đồng nhất.
 Chƣơng 3: Phân tích chi tiết phƣơng pháp định vị sự cố đối với đƣờng
dây tải điện không đồng nhất với tín hiệu thu thập đồng bộ từ hai đầu.
 Chƣơng 4: Mô phỏng áp dụng nguyên lý định vị đã đƣợc đề xuất với
tuyến đƣờng dây 220kV Nho Quan – Thanh Hóa. Phần mô hình đƣờng

ix


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

dây và mô phỏng sự cố đƣợc thực hiện bằng phần mềm PSCAD, các tính
toán xử lý tín hiệu sau đó đƣợc thực hiện bằng MATLAB.

nhiên khi xác định nhanh đoạn bị sự cố thuộc đoạn đƣờng dây trên không có
thể cho đóng lại nhằm đảm bảo cung cấp điện.

-

Với những sự cố vĩnh cửu, việc xác định chính xác điểm sự cố có thể giúp
khắc phục sự cố nhanh do giảm đƣợc thời gian tìm sự cố (thông thƣờng để
phát hiện ra sự cố phải mất từ 1 đến 2 giờ do công nhân phải di chuyển, rải
quân và có khi còn lâu hơn do địa hình phức tạp trong điều kiện mƣa, lũ).
Khi xác định nhanh đƣợc điểm sự cố có thể giúp nhà quản lý nhanh chóng
đƣa ra phƣơng án xử lý sự cố phù hợp với điều kiện địa hình, đặc điểm cúa
khu vực sự cố do đó giảm nhân lực, tài chính, và quan trọng nhất là nhanh
chóng cung cấp điện cho phụ tải trong một khu vực rộng.
1


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Các vấn đề về nâng cao độ chính xác trong định vị sự cố đã đƣợc nghiên cứu
trong nhiều năm và hầu hết tập trung vào nghiên cứu áp dụng đối với lƣới truyền
tải. Lƣới truyền tải đƣợc quan tâm vì mức độ ảnh hƣởng của nó tới hệ thống lớn
hơn, các trang thiết bị bảo vệ và điều khiển hiện đại hơn, đồng thời thời gian đòi hỏi
để tìm kiếm sự cố cũng kéo dài hơn so với lƣới phân phối.
Hiện nay các đƣờng dây tải điện với cấp điện áp từ 220 kV trở lên thƣờng đƣợc
trang bị các bảo vệ chính là bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch dọc đƣờng dây.
Thực tế cho thấy chức năng định vị điểm sự cố trong các rơle bảo vệ khoảng cách
báo vị trí với một mức sai số tƣơng đối lớn (có thể tới hàng chục km). Điều này xảy
ra do nguyên lý định vị sự cố đƣợc sử dụng trong rơle khoảng cách chỉ dựa vào tín
hiệu đo lƣờng tại chỗ, do đó chịu ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố bên ngoài [1].
Các rơle so lệch dọc hiện đại đã đƣợc tích hợp thêm chức năng định vị điểm sự

Định vị sự cố chỉ dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ một phía của đƣờng dây.

-

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả hai phía của đƣờng dây.

-

Định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lƣờng từ cả ba phía của đƣờng dây

-

Định vị sự cố dựa trên hiện tƣợng sóng lan truyền.

1.2.1 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ một phía
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong các rơle bảo vệ khoảng cách thông
dụng [1, 2]. Rơle sẽ dựa trên giá trị dòng điện và điện áp để tính toán giá trị tổng trở
đo đƣợc. Nếu giá trị tổng trở này thuộc miền tác động thì rơle sẽ tác động và ngƣợc
lại. Khoảng cách đến điểm sự cố đƣợc xác định dựa theo tỷ số của điện kháng đo
đƣợc và điện kháng của một đơn vị chiều dài đƣờng dây:
Lsc (km) 

xdo
x1km

(1.1)

Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp này:
-


Ảnh hƣởng bởi hệ số phân bố dòng điện (do xuất hiện các nguồn khác
cấp vào điểm sự cố hoặc dòng điện tại điểm sự cố khác với dòng điện
đo đƣợc tại vị trí đặt rơle).

-

Ảnh hƣởng của hỗ cảm do các đƣờng dây chạy song song gây ra.

-

Tổng trở thứ tự không của đƣờng dây thƣờng không thể xác định
đƣợc chính xác nên sẽ gây sai số đáng kể đối với các sự cố chạm đất
(đây lại là loại sự cố thƣờng xảy ra đối với lƣới truyền tải và hệ thống
điện nói chung).

1.2.2 Phương pháp định vị sự cố dựa trên tín hiệu đo lường từ hai phía
Phƣơng pháp này sử dụng tín hiệu đo lƣờng từ hai đầu của đƣờng dây tải
điện [3]. Yêu cầu quan trọng là các tín hiệu này phải đƣợc đồng bộ về mặt thời gian.
Với các trạm có trang bị hệ thống đồng hồ dựa theo tín hiệu GPS thì việc đồng bộ
về mặt thời gian đã đƣợc giải quyết, tuy nhiên với hiện trạng tại Việt Nam thì số
lƣợng trạm đƣợc trang bị đồng hồ GPS chƣa nhiều nên phƣơng pháp này sẽ gặp
nhiều trở ngại.
Nguyên lý định vị sự cố theo tín hiệu hai đầu:
Xét sự cố xảy ra tại điểm F, cách trạm A một khoảng là x (%) trên đƣờng dây
AB nhƣ trong Hình 1.
A

IA

IB

IF

UA

UF

RF

UB

Hình 2 Sơ đồ thay thế của đường dây sự cố

Dòng điện và điện áp {IA & IB}, {UA & UB} đo tại hai trạm đƣợc đồng bộ về
mặt thời gian.
Điện áp UF tại điểm sự cố có thể tính theo:

UF  U A  I A * x * ZD

(1.1)

U F  U B  I B *(1  x) * Z D

(1.2)

Trong đó ZD là tổng trở của toàn bộ đoạn đƣờng dây AB
Trừ hai phƣơng trình cho nhau:

U A  U B  I B * Z D  x * Z D *( I A  I B )

(1.3)

Trong thực tế còn nhiều biến thể của phƣơng pháp này, tùy theo tín hiệu đo
lƣờng có đầy đủ hay không đầy đủ, có cần thông tin của tổng trở đƣờng dây hay
không…
1.2.3 Phương pháp định vị sự cố dựa trên nguyên lý sóng lan truyền
Phƣơng pháp truyền sóng dựa trên nguyên tắc thành phần sóng phản xạ khi
gặp điểm sự cố của đƣờng dây tải điện [4]. Cách thực hiện của phƣơng pháp sóng
lan truyền là đo thời gian lan truyền của sóng lấy kết quả từ sự xuất hiện của một sự
cố trên đƣờng dây tải điện. Phƣơng pháp sử dụng dữ liệu điện áp hoặc dòng điện
hoặc sử dụng máy phát truyền tạm thời. Thông tin thu thập ở đây có thể là thời điểm
sóng phản xạ lần thứ nhất, thời gian sóng chạy tới cuối đƣờng dây... Phƣơng pháp
này đòi hỏi phải đồng bộ hóa thời gian cực kỳ chính xác khi vị trí sự cố đƣợc xác
định bởi thời gian của sóng sự cố trên đƣờng dây tải điện, hoặc ở nhiều vị trí trên hệ
thống điện. Kinh nghiệm vận hành cho thấy phƣơng pháp này có độ chính xác cao
và khả năng các sự cố đƣợc định vị một cách liên tục.
Lấy một ví dụ với đƣờng dây tải điện một pha (giả thiết không tổn hao với
các thành phần tần số cao sóng lan truyền) với chiều dài l, vận tốc sóng lan truyền v,
điện dung và điện cảm trên một đơn vị chiều dài C’, L’ và tổng trở sóng Zc. Giả sử

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

việc xuất hiện một sự cố ở một khoảng cách lF tính tới nguồn A, các giá trị điện áp
và dòng điện đƣợc mô tả trong biểu thức (1.5) và (1.6).
Sơ đồ nguyên lý xác định vị trí sự cố trên đƣờng dây đƣợc minh họa trên Hình 3.
l
lF
er


i(lF,t) =

1
1
ef (lF - vt) +
er (lF + vt)
ZC
ZC

(1.8)

Thời điểm sóng lan truyền tới hai đầu A và B là A và B đƣợc xác định bằng
cách sử dụng công nghệ GPS (Global Positioning System), vị trí sự cố đƣợc xác
định theo phƣơng trình (1.9)
lF =

1
(l + (A - B).v)
2

(1.9)

Trong đó :
-

ef : Sóng điện áp thuận chạy trên đƣờng dây

-

er : Sóng điện áp ngƣợc chạy trên đƣờng dây

- Thiết bị ghi tín hiệu sự cố phải có tần số lấy mẫu rất cao để có thể ghi nhận
các tín hiệu xung phản xạ.
- Phần mềm phải có khả năng đồng bộ hóa tín hiệu, lọc nhiễu và trích xuất tín
hiệu mong muốn. Đặc biệt với các sự cố gây ra do sét có thể gây các nhiễu điện từ
ảnh hƣởng đến độ chính xác của phép lọc tín hiệu., không áp dụng đối với sự cố
chập chờn, đứt dây không gây chạm đất hay tụt lèo.
Căn cứ theo [4], hiện tại ngành điện một số nƣớc trên thế giới đã ứng dụng
công nghệ xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp lan truyền nhƣ các hãng Qualitrol
8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

(Hathaway Instruments Division – Anh), Nippon (Nhật Bản), Kinkei (Nhật Bản) và
Isa (Italia). Độ chính xác đạt đƣợc tƣơng đối cao, sai số trong phạm vi một vài
khoảng vƣợt, tùy thuộc vào thiết bị của từng hãng chế tạo. Nói chung các hãng đều
đƣa ra sai số lý thuyết về xác định điểm sự cố không lớn hơn 500m, nhƣng thực tế,
độ chính xác còn phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thực tế lắp đặt và vận hành, đặc
biệt phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy công nghệ của từng hãng. Tại Việt Nam,
việc áp dụng công nghệ định vị sự cố theo phƣơng pháp truyền sóng đã đƣợc triển
khai thử nghiệm trên một số tuyến đƣờng dây truyền tải điện áp 500kV nhƣ đƣờng
dây 500 kV Hà Tĩnh – Đà Nẵng, hay đƣờng dây 220 kV Hà Giang - Thái Nguyên
mạch 1 và 2... Đƣờng dây Hà Giang - Thái nguyên mạch 2 với chiều dài 231,4 km
sử dụng thiết bị Nippon của Nhật Bản. Sau khi đƣa vào thử nghiệm, một số kết quả
đƣợc thống kê nhƣ sau :
Bảng 1 Bảng tổng hợp thống kê sự cố

TT

Tên đường

(274E22.4 274E6.2)

14h45,
ngày
23/7/2012

Sự cố pha B:
*Trạm Hà Giang
d= 129,7 km.
*Trạm Thái
Nguyên d= 86,44
km.

3

ĐZ 220kV
Hà Giang Thái
Nguyên 2
(274E22.4 274E6.2)

20h18 ngày
10/8/2012

Sự cố pha B:
*Trạm Hà Giang
d=156,8 km.
*Trạm Thái
Nguyên d=99,7
km.


từ trạm HG).

Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
125,063 km
(Tại vị trí 59)

VT 69
(129,466 km
từ trạm HG).

VT 78

Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
129,466 km
(Tại vị trí 69)
Khoảng cách từ


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Định vị sự cố trên đường dây không đồng nhất

Hà Giang Thái
Nguyên 2
(274E22.4 274E6.2)

5


(Tại vị trí 79)
Khoảng cách từ
trạm Hà Giang
đến điểm sự cố
6,84km (Tại vị
trí 16)

Từ bảng trên cho thấy việc xác định vị trí sự cố theo phƣơng pháp truyền
sóng cho kết quả khá chính xác, tuy nhiên kết quả còn phụ thuộc rất nhiều vào công
nghệ của từng hãng, điều kiện áp dụng thực tế với từng đƣờng dây cụ thể.
Ngoài ra, cũng trong nhóm các phƣơng pháp sử dụng sóng lan truyền còn có
các giải pháp sử dụng không chỉ thời gian sóng lan truyền mà còn cả hình dạng của
các sóng phản xạ để xác định vị trí và các thông số khác của sự cố. Đây là phƣơng
pháp TDR (Time-Domain Reflecometer).
Định vị sự cố bằng sóng lan truyền là một công nghệ tiên tiến, kinh tế đã
đƣợc áp dụng trong ngành điện ở rất nhiều nƣớc trên thế giới. Công nghệ này đã
đƣợc ứng dụng cho hệ thống lƣới điện trung áp và đặc biệt sử dụng cho tất cả các
ngăn lộ của hệ thống điện truyền tải. Thiết bị định vị sự cố bằng sóng lan truyền
giúp nhà quản lý nắm đƣợc chính xác và nhanh nhất vị trí điểm sự cố trên các
đƣờng dây, qua đó có xử lý nhanh sự cố, giảm chi phí nhân lực tìm kiếm, giảm
phƣơng tiện đi lại, nâng cao khả năng xử lý sự cố, rút ngắn thời gian mất điện của
hệ thống, tăng khả năng vận hành an toàn, tin cậy cho hệ thống điện trung áp, cao
áp và siêu cao áp.
Mặc dù định vị sự cố theo kỹ thuật sóng lan truyền có thể rất chính xác, có
một số vấn đề có thể ảnh hƣởng đến tính chính xác về đo lƣờng hoặc kết quả trong
tính toán. Sự cố thoáng qua là một ví dụ điển hình. Lỗi này xảy ra khi có nhiều sự
cố thoáng qua hoặc chúng xuất hiện giống nhau.
10



UR

Zphụ tải

Z